«Популярное Изложение»: Законов физики не существует. Есть только ландшафт

Главная дилемма квантовой физики

Представьте, что Алису и Боба попросили приготовить обед. Алиса любит китайскую кухню, Боб – итальянскую. Каждый из них выбирает свой любимый рецепт, закупает продукты в местном магазине и четко следует инструкции. Но, когда они вынимают блюда из духовки, оба немало удивлены. Оба блюда оказываются абсолютно одинаковыми. Можно только представить себе экзистенциальные вопросы, которыми задаются Алиса и Боб. Как из разных ингредиентов могут получиться одинаковые блюда? Что это вообще значит – готовить китайскую или итальянскую кухню? Или они настолько неправильно подошли к процессу готовки?

Это иллюстрация главной дилеммы квантовых физиков. Они обнаружили множество примеров того, как две совершенно разных концепции могут описывать одну и ту же физическую систему. В случае физики, вместо мяса и соусов в роли ингредиентов выступают частицы и силы, рецепты – формулы взаимодействия, а процесс приготовления – это процедура дискретизации, которая ставит в соответствие формулам вероятность физических явлений. Так же, как Алиса и Боб, ученые поражаются, каким образом разные рецепты приводят к одним и тем же результатам.

Разве имела природа возможность выбирать свои фундаментальные законы? Альберт Эйнштейн, насколько известно, в каком-то смысле верил, что есть только один способ на основе нескольких базовых принципов построить элегантную, функционирующую Вселенную. С его точки зрения, если исследовать суть физики на достаточно глубоком уровне, то мы придем к выводу, что существует только один единственно возможный способ взаимодействия всех шестеренок вселенского часового механизма – материи, излучений, сил, пространства и времени.

Теория струн как «теория всего»

Нынешняя стандартная модель физики элементарных частиц – косный механизм, состоящий из скудного набора ингредиентов. Но, несмотря на кажущуюся неповторимость, наша Вселенная представляет собой лишь один из бесчисленного множества возможных миров. Мы не имеем ни малейшего представления, почему именно данная конкретная конфигурация частиц и сил, на них воздействующих, лежит в основе нашего мироустройства.

Почему существует шесть «ароматов» кварков, три «поколения» нейтрино и одна частица Хиггса? Кроме того, в комплектацию стандартной модели входят девятнадцать фундаментальных физических постоянных (например, масса и заряд электрона). Значения этих «свободных параметров», казалось бы, не несут никакого глубинного смысла. С одной стороны, физика элементарных частиц – образчик элегантности. С другой – это просто красивая теория.

Если наш мир – всего лишь один из многих, то что нам делать с альтернативными мирами? Нынешняя точка зрения – абсолютная противоположность эйнштейновскому представлению о неповторимой Вселенной. Современные физики охватывают огромное вероятностное пространство и пытаются понять логику его взаимосвязей. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, наносящих на карту ландшафт и подробно изучающих силы, его сформировавшие.

Вехой в этом процессе стало рождение теории струн. На данный момент она – единственный кандидат на звание «теории всего». Хорошая новость состоит в том, что в теории струн нет свободных параметров. Не возникает вопроса, какая теория струн описывает нашу Вселенную, потому что она единственна. Отсутствие каких-либо дополнительных функций ведет к радикальным последствиям. Все числа в природе должны определяться самой физикой. Это не «константы природы», а просто переменные, получаемые из уравнений (порой, правда, невероятно сложных).

Плохие новости, господа. Пространство решений теории струн обширно и сложно. Для физики это нормально. Традиционно различают фундаментальные законы, основывающиеся на математических уравнениях и на решениях этих уравнений. Обычно, есть несколько законов и бесконечное число решений. Возьмем законы Ньютона. Они четкие и элегантные, но описывают невероятно широкий спектр явлений: от падающего яблока до лунной орбиты. Зная начальное состояние системы, с помощью этих законов можно описать ее состояние в следующий момент. Мы не ожидаем и не требуем универсального решения, которое описывало бы всё.

Видео с канала «Kurzgesagt», в котором вкратце объясняется суть теории струн (доступны русские субтитры)

Вселенский ландшафт

В теории струн некоторые элементы, которые обычно рассматриваются как законы, на самом деле являются решениями. Они определяются формой и размерами скрытых дополнительных измерений. Пространство всех этих решений часто называют «ландшафтом», но это излишне мягко сказано. Даже самые впечатляющие горные пейзажи меркнут на фоне необъятности этого пространства. И хотя его география еще в полной мере не изучена, можно с уверенностью сказать, что континенты его огромны.

Одним из самых изысканных предположений теории является то, что всё, возможно, взаимосвязано. Если хорошенько встряхнуть Вселенную, мы могли бы переместиться из одного гипотетического мира в другой, изменив то, что мы привыкли считать непреложными законами природы, и получив новое сочетание элементарных частиц, которые составляют нашу реальность.

Но как нам исследовать огромный ландшафт физических моделей Вселенной, которая может запросто иметь сотни измерений? Представьте его как в значительной степени неразвитый участок дикой местности, большая часть которого сокрыта под толстыми слоями непреодолимой сложности. Только у самых границ можно найти пригодные для жизни места. Здесь жизнь проста и привольна. Здесь находятся базовые модели, которые мы прекрасно понимаем. Они не имеют большого значения при описании реального мира, но служат удобной отправной точкой для исследования ближайших окрестностей.

Хороший пример – квантовая электродинамика (КЭД), теория, которая описывает взаимодействие между материей и светом. У этой модели один параметр, называемый «постоянной тонкой структуры», который выражает силу взаимодействия между двумя электронами. Численно он близок к 1/137. В КЭД все процессы можно рассматривать, как вытекающие из элементарных взаимодействий. Например, отталкивание двух электронов можно представить как обмен фотонами. Квантовая электродинамика предлагает рассмотреть все возможные пути, какими два электрона могут обменяться фотонами.

На практике это означает, что физики сталкиваются с необходимостью вычисления бесконечных сумм большой сложности. Но теория также предлагает и выход: каждый дополнительный обмен фотонами добавляет условие, в котором постоянная тонкой структуры возводится в последующую степень. Поскольку число этих обменов относительно невелико, дополнительные условия не оказывают большого влияния. Ими можно пренебречь, приблизив к «реальному» значению.

Мы найдем эти слабо связанные друг с другом теории на заставах ландшафта. Здесь силы слабы, и имеет смысл говорить о списке ингредиентов – элементарных частиц – и рецепте их взаимодействия. Но если мы оставим обжитые места и углубимся в неизведанные дебри, каждое дополнительное условие будет иметь всё большее значение. Теперь мы уже не различаем отдельные частицы. Они растворяются, превращаясь в спутанную сеть энергии, подобно ингредиентам пирога в духовке.

Однако, не все потеряно. Иногда в конце пути виднеется другая застава. Иными словами, другая хорошо управляемая модель, на этот раз состоящая из совершенно другого набора частиц и сил. В таких случаях существует два альтернативных рецепта для одной лежащей в их основе физики, как и в случае с обедами Алисы и Боба. Эти сопряженные описания называются двойственными моделями, а связь между ними – двойственностью. Эти противоположности можно рассматривать, как грандиозное обобщение знаменитого корпускулярно-волнового дуализма, открытого Гейзенбергом. В случае Алисы и Боба он принимает форму преобразования между китайским и итальянским рецептом.

Всё взаимосвязано

Почему с точки зрения физики всё это так захватывающе? Прежде всего, предположение о том, что многие (если не все) модели являются составными частями одного огромного взаимосвязанного пространства, – один из самых удивительных выводов современной квантовой физики. Это изменение перспективы, достойное называться «сдвигом парадигмы». Вместо архипелага разрозненных островов мы исследуем один необъятный континент.

В каком-то смысле, изучив одну модель достаточно глубоко, мы получим возможность понять их все. Мы можем исследовать связь этих моделей, заострив внимание на общих чертах их структуры. Важно отметить, что этот феномен в значительной степени зависит от того, соответствует ли теория струн реальному миру. Это свойство, присущее квантовой физике, которое непреложно независимо от того, чем в итоге окажется «теория всего».

Более драматично звучит заключение о том, что все традиционные теории фундаментальной физики должны отправиться на свалку истории. Частицы, поля, силы, симметрии – все это не более чем артефакты привольной жизни на заставах безбрежного пейзажа немыслимой сложности. Представляется невероятным, или, по крайней мере, крайне ограниченным, рассматривать физику с точки зрения элементарных строительных блоков.

Возможно, существует принципиально новая структура, объединяющая фундаментальные законы природы и игнорирующая все привычные нам концепции. Математические тонкости и элегантность теории струн – соблазнительная мотивация принять эту точку зрения. Но давайте будем честны. Очень немногие современные идеи о том, что займет место частиц и полей, «достаточно безумны, чтобы оказаться правдой», как говорил Нильс Бор.

Оригинал

Для оформления использованы работы Pablo Revuelta. Изображение на превью – James O'Brien.